Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов. Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности

• Название: Лекции по дисциплине Энергетические установки транспортной техники для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по специальности
• Анкор: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Дата: 03.02.2017
• Размер: 5.99 Mb.
• Имя файла: Курс лекции по ЭУТТ.. Вахламов.doc
• Тип: Лекции; #2019
• страница: 10 из 20

2.2. Нагрузочной характеристикой называется зависимость основ­ных показателей двигателя от параметра, характеризующего его нагрузку (N_e, М_к, р_е) при постоянной частоте вращения.

Нагрузочная характеристика позволяет описать работу двига­теля при движении автомобиля с постоянной скоростью на од­ной передаче и переменном дорожном сопротивлении.

Основными показателями двигателя по нагрузочной характе­ристике являются G_т и g_e. Кроме того, определяемыми показате­лями могут быть: коэффициент наполнения, коэффициент избытка воздуха, угол опережения зажигания или угол опережения впрыс­кивания, температура отработавших газов, концентрация токсич­ных компонентов в отработавших газах, а для дизелей — допол­нительно дымность.

Левая крайняя точка характеристики соответствует режиму хо­лостого хода для заданной частоты вращения.

Правая крайняя точка характеристики соответствует максималь­ной нагрузке (N_{e max}), которую двигатель может преодолеть при дан­ной частоте вращения (двигатели с искровым зажиганием), или ее значению при положении регулирующего органа на упоре (ди­зели). Она соответствует точке внешней скоростной характерис­тики для заданной частоты вращения двигателя.

Нагрузочная характеристика может быть построена и по ре­зультатам снятия регулировочных характеристик по составу смеси. Она называется характеристикой оптимального регулирования. При ее сравнении с нагрузочной характеристикой, полученной экспе­риментально, можно оценить качество регулировок систем пода­чи топлива и зажигания.

На кривых нагрузочной характеристики обычно фиксируют следующие характерные точки: минимальный удельный расход топлива g_{e min} и соответствующие ему значения нагрузки и α; ча­совой расход топлива G_т и α на холостом ходу; N_{e max}.

При снятии нагрузочной характеристики двигателя с искровым зажиганием мощность увеличивают повышением количества го­рючей смеси, поступающей в цилиндры, т.е. открытием дроссель­ной заслонки.

С учетом наивыгоднейшей характеристики состав смеси на всех режимах нагрузочной характеристики теоретически должен быть экономическим, кроме режима полной нагрузки, когда смесь долж­на обогащаться до мощностного состава (рис. 7.3, а).

На режимах холостого хода и малых нагрузок для обеспечения хо­рошей экономичности необходимо обогатить смесь до α = 0,90... 0,95.

По мере открытия дроссельной заслонки и перехода от режима холостого хода к режимам малых и средних нагрузок возрастают часовые расходы топлива G_Т и воздуха G_B; увеличивается наполне­ние цилиндров η_V; повышается доля свежего заряда в рабочей сме­си; растет давление в цилиндре; улучшаются условия смесеобра­зования, воспламенения и сгорания горючей смеси; снижается длительность первой фазы сгорания. На основании этого необхо­димо повышать а и уменьшать угол опережения зажигания.

На данных режимах двигатель работает на экономическом со­ставе смеси (α = 1,1... 1,2). Это вызывает рост η_i, так как он опреде­ляется составом смеси α, η_V и значением угла опережения зажи­гания.

Механические потери р_м изменяются по характеристике мало, а индикаторное давление р_і линейно возрастает. Поэтому, исходя из определения η_м (η_м = p_e/p_i=(p_i-p_м)/p_i=1- p_м/p_i), начиная от нуля (на режиме холостого хода p_e = 0, p_i = p_м ), будет возрастать, так как большая доля индикаторной работы передается потребителю.

Удельный эффективный расход топлива g_e обратно пропорци­онален η_е = η_iη_м. На холостом ходу он равен бесконечности. Это указывает на то, что вся теплота расходуется не на полезную ра­боту, а на преодоление механических потерь двигателя. Затем он снижается в силу совместного роста η_i и η_м и достигает мини­мального значения при (0,8...0,9) N_{e max}.



Рис. 7.3. Нагрузочные характеристики двигателя с искровым зажиганием (а), дизеля (б) и дизеля с наддувом (в).
При полном открытии дроссельной заслонки создается мощностной состав смеси (α = 0,85...0,90), уменьшается η_i из-за химичес­кой неполноты сгорания при богатой смеси; увеличивается g_e из-за уменьшения η_i, несмотря на максимальное значение η_м.

Концентрация токсичных компонентов отработавших газов по нагрузочной характеристике определяется совместным влиянием α, φ_о.з. и η_V.

При снятии нагрузочной характеристики дизеля нагрузку изме­няют варьированием цикловой подачи топлива, т.е. перемещени­ем рейки топливного насоса.

В дизеле без наддува (рис. 7.3, б) при уменьшении нагрузки:

• увеличивается коэффициент избытка воздуха α, снижаются ча­совой расход топлива G_т, количество теплоты, выделяющейся при сгорании, температура отработавших газов Т_r, дымность отрабо­тавших газов D_x;

• часовой расход воздуха G_в, несколько увеличивается из-за сни­жения степени его подогрева;

• увеличивается η_i из-за роста α; однако на очень малых нагруз­ках η_i может уменьшаться из-за ухудшения качества процессов впрыскивания и распыливания топлива;

• удельный эффективный расход топлива g_e уменьшается из-за повышения α и η_i, достигая минимума при 70...80% нагрузки, а на малых нагрузках — увеличивается в связи с уменьшением η_M.

В дизеле с турбонаддувом (рис. 7.3, в) при уменьшении нагрузки:

• снижается расход воздуха G_в в связи с падением температуры отработавших газов перед турбиной Т_т, уменьшением располагае­мой работы газа, что приводит к снижению частоты вращения турбины и компрессора;

• коэффициент избытка воздуха а увеличивается более плавно из-за снижения G_в;

• уменьшается коэффициент наполнения η_V из-за снижения р_к и Т_к ;

• более интенсивно растет g_e на малых нагрузках, что связано с увеличением затрат на работу газообмена. Исходя из этого целесо­образно регулирование турбонаддува на малых нагрузках.

Предел форсирования дизеля по нагрузке определяется дымностью отработавших газов или тепловой напряженностью дета­лей. Так как дизель с турбонаддувом на средних и высоких часто­тах вращения имеет большие значения а, то предел его форсиро­вания определяется тепловой напряженностью деталей в цилинд­ре и колесах турбины.

2.3. Скоростная характеристика представляет собой зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчато­го вала при неизменном положении органа управления двигателем.

Внешняя скоростная характеристика определяется при полном открытии дроссельной заслонки или при положении органа уп­равления подачей топлива, которое обеспечивает получение но­минальной мощности дизеля.

Частичные скоростные характеристики снимают при промежу­точном положении органа управления двигателем.

Внешняя скоростная характеристика соответствует работе дви­гателя автомобиля, движущегося в условиях переменного дорож­ного сопротивления, но при постоянном и предельном положении органа управления, например при разгоне автомобиля.

Внешняя скоростная характеристика является основной пас­портной характеристикой двигателя. По методике, установленной государственным стандартом, в зависимости от укомплектованности двигателя устройствами и оборудованием, определяют:

• мощность нетто при укомплектовании двигателя серийным оборудованием по стандарту (вентилятором, генератором, возду­хоочистителем, глушителем и др.), а регулировки соответствуют техническим условиям; отключают лишь вспомогательные систе­мы автомобиля (компрессор тормозной системы, насос; гидро­усилителя рулевого управления, компрессор кондиционера и т.д.);

• мощность брутто — допускается отключать или снимать неко­торые устройства, обслуживающие двигатель, а также использовать оптимальные (а не штатные) регулировки отдельных его си­стем.

Мощность брутто больше мощности нетто.

Для сопоставления результатов испытаний, полученных при раз­ных атмосферных условиях, мощностные показатели двигателей N_e, М_к и р_е приводят к стандартным атмосферным условиям: атмос­ферное давление В₀= 100 кПа (750 мм рт. ст.), температура воздуха T₀ = 298 К, парциальное давление сухого воздуха р_в = 99 кПа, темпе­ратура топлива (для дизелей) T_т0 = 298 К.

Показатели N_e0, М_к0 и р_е0 вычисляют умножением полученных экспериментально значений на поправочный коэффициент.

Внешняя скоростная характеристика двигателя с искровым за­жиганием (рис. 7.4) снимается при полностью открытой дрооссельной заслонке. Система подачи топлива на большинстве скоростных режимов обеспечивает состав смеси, близкий к мощностному, а система зажигания обеспечивает φ_о.з., близкий к оптимальному. На средних и малых частотах вращения φ_о.з. ограничен появ­лением детонации.



Рис. 7.4. Внешняя скоростная характеристика двигателя с искровым зажиганием легкового автомобиля.
При повышении частоты вращения п растет число циклов в единицу времени, что приводит к росту часовых расходов топли­ва G_Т и воздуха G_в, повышению турбулизации рабочего заряда и скорости движения фронта пламени по камере сгорания, умень­шению относительных потерь теплоты в стенки цилиндров, улуч­шению качества смесеобразования, сокращению длительности второй фазы сгорания по времени (длительность в градусах ПКВ практически сохраняется), увеличению температуры отработавших газов, что обусловлено уменьшением теплоотдачи в стенки цилиндра.

Повышение качества рабочего процесса двигателя при увели­чении п приводит к росту η_i.

Из-за того, что длительность второй фазы сгорания в градусах ПКВ при повышении п практически не изменяется, для обеспечения выделения теплоты в области ВМТ следует увеличивать угол опережения зажигания.

Коэффициент наполнения η_V с ростом частоты вращения вна­чале повышается, достигает максимума, а затем снижается. На низких частотах вращения фазы газораспределения не соответ­ствуют скоростному режиму и возможен обратный выброс свеже­го заряда, а на высоких частотах влияние гидравлических потерь больше явления дозарядки.

Максимальное значение η_V для двигателей легковых автомоби­лей формируют на высоких частотах вращения в целях получения высокой номинальной мощности, обеспечивая высокую скорость и хорошую динамику разгона автомобиля.

Для двигателей грузовых автомобилей максимум η_V формиру­ют на средних частотах, чтобы повысить M_{к mах} для обеспечения хороших тяговых свойств.

Среднее давление механических потерь р_м с повышением п воз­растает по закону, близкому к линейному, а так как темп измене­ния р_i менее интенсивен, то η_м при этом монотонно снижается.

Характер изменения р_е (М_к) определяется совместным влия­нием параметров, входящих в зависимость р_е = (H_u/l₀)(η_i/α) η_V ρ_к η_м, где ρ_к — плотность заряда на впуске. Его уменьшение на малых частотах вращения обусловлено снижением η_i и η_V, а на высо­ких — уменьшением η_V и η_м.

Для двигателей с искровым зажиганием п_{Mк mах} = (0,55...0,7)n_ном, а коэффициент приспособляемости k_M = M_{к mах} / M_{к ном} = 1,10... 1,30.

Изменение мощности N_е по частоте вращения обусловлено совместным влиянием на нее М_к и п на основании зависимости N_е = М_к п/9550. Рост мощности, начиная от низких частот вращения, связан с линейным повышением п и возрастанием М_к . На высоких частотах вращения темп роста N_е замедляется из-за уменьшения М_к и достигает максимума при п_{Nе max} (обычно п_{Nе max} > п_ном). После п_{Nе max} мощность резко снижается из-за падения η_V и η_м и в дальнейшем при полностью открытой дроссельной заслонке на холостом ходу становится равной нулю, достигая максимальной частоты вращения яхтах, которая на 30...50% превосходит номинальную.

Для двигателей легковых автомобилей кратковременный пере­ход на такой режим возможен. У двигателей грузовых автомоби­лей, имеющих большие движущиеся массы, рост сил инерции может снизить надежность двигателя, что требует применения ограничителя частоты вращения.

Удельный эффективный расход топлива определяется произ­ведением η_iη_м. Увеличение g_e на низких п обусловлено уменьше­нием η_i, а на высоких — снижением η_м.

Концентрация токсичных веществ в отработавших газах опре­деляется совместным влиянием α, φ_о.з., условий смесеобразования и сгорания.

Частичные скоростные характеристики снимают при постоян­ных промежуточных положениях дроссельной заслонки. Увеличе­ние п при прикрытой дроссельной заслонке приводит к резкому снижению η_V из-за роста гидравлических потерь и вызывает соот­ветствующее снижение р_i и, следовательно, η_м. Чем больше сте­пень прикрытия дроссельной заслонки, тем более резко снижа­ются р_е, М_к, N_е, а их максимумы сдвигаются в область меньших частот вращения.

Внешняя скоростная характеристика дизеля снимается в диапа­зоне частот вращения от п_min до п_ном. Далее, от п_ном до п_{x max}, распо­лагается регуляторная ветвь характеристики (рис. 7.5). При работе дизеля по внешней скоростной характеристике рейка топливного насоса находится на упоре, а по регуляторной ветви рейкой умень­шают цикловую подачу топлива.

При затяжке пружины регулятора меньше максимальной оп­ределяют частичные скоростные характеристики.

Особенности изменения М_к по внешней скоростной характери­стике определяются изменением комплекса параметров (η_i/α) η_Vρ_кη_м.

При формировании внешней скоростной характеристики ди­зеля изменение α является одним из основных управляющих фак­тoров. Воздействуя на цикловую подачу топлива V_ц, можно обес­печить любой характер изменения α.



Рис. 7.5. Внешняя скоростная характеристика дизеля с регуляторной ветвью
В значительной мере α определяет изменение η_i и температуры отработавших газов с изменением частоты вращения. Если α оста­ется неизменным или незначительно возрастает, то при увеличе­нии частоты вращения η_i возрастает, а температура отработавших газов повышается.

При повышении п механический КПД дизеля η_м уменьшается из-за роста механических потерь р_м.

В дизеле без наддува максимум η_V достигается на средних частотах вращения. При небольших частотах вращения η_V снижается из-за несоответствия фаз газораспределения скоростному режиму работы дизеля (фазы большие, а скорость заряда — невысокая, поэтому возможен обратный выброс свежего заряда во впускной трубопровод). При больших частотах вращения растут гидравли­ческие потери.

В дизеле с нерегулируемым газотурбинным наддувом (рис. 7.6) с ростом п повышается расход газов через турбину, что вызывает возрастание частоты вращения вала турбокомпрессора и, как след­ствие, — повышение р_к, Т_к, ρ_к и η_V.

В дизелях применяют системы наддува, настроенные на проме­жуточную (не номинальную) частоту вращения, а также регули­руемого наддува.

Это обеспечивает улучшение экономичности на малых частотах. На высоких частотах вращения увеличение работы выпуска ухудшает экономичность. Поэтому у дизелей, работаю­щих в широком диапазоне частот вращения, применяют перепуск газов, минуя турбину. Также используют и другие способы регули­рования турбин, например, с помощью изменения минимального эффективного сечения и угла входа газа на лопатки колеса.



Рис. 7.6. Внешняя скоростная характеристика дизеля с наддувом
Применение управляемого комбинированного наддува, при кото­ром и приводной компрессор, и турбокомпрессор подключены последовательно, представляет собой эффективный способ фор­мирования внешней скоростной характеристики дизеля: на малых частотах вращения повышает плотность воздуха приводной комп­рессор, а на больших — турбокомпрессор. При достижении опре­деленной частоты вращения и малой нагрузке двигателя привод­ной компрессор автоматически отключается. На малых нагрузках и высоких частотах вращения автоматически открываются клапа­ны перепуска газов мимо турбины. Эта система обеспечивает вы­сокий запас крутящего момента и высокую экономичность во всем диапазоне режимов работы дизеля.

Крутящий момент М_к при повышении частоты вращения от минимально устойчивой до п_м растет из-за увеличения η_V и η_i. После достижения максимума при дальнейшем увеличении п кру­тящий момент снижается из-за уменьшения η_V и η_м.
Для повышения запаса крутящего момента дизелей без надду­ва (обычно μ_н не превышает 12% из-за ограничений по дымности) и дизелей с нерегулируемым наддувом осуществляют пря­мую коррекцию топливоподачи (обеспечивая постоянную цикло­вую подачу от п_ном до п_{Мк mах}), а при работе дизеля с полной на­грузкой на малых частотах вращения — обратную коррекцию (уменьшая цикловую подачу) для снижения дымности отрабо­тавших газов. При регулируемом наддуве можно повысить запас крутящего момента до 35...40 %.

Если для дизеля без наддува ρ_к практически не зависит от п, то при газотурбинном наддуве она является одним из управляющих параметров.

Характеристики агрегатов наддува существенно влияют на па­раметры дизеля. При применении приводного компрессора повы­шение его КПД уменьшает затраты мощности на привод и, как следствие, обеспечивает рост η_м и уменьшение g_e. При газотур­бинном наддуве повышение КПД турбокомпрессора также сни­жает потери на газообмен, повышает η_м и уменьшает g_e.

При повышении частоты вращения удельный эффективный расход топлива g_e уменьшается за счет повышения η_iη_м и достигает минимума при некоторой средней частоте вращения, когда про­изведение η_i максимально. При дальнейшем повышении часто­ты вращения g_e увеличивается из-за снижения η_V и η_м.

При увеличении частоты вращения дымность отработавших газов снижается, а содержание оксидов азота повышается.

Регуляторная ветвь скоростной характеристики (при п>n_ном) обеспечивает автоматический переход от внешней характеристи­ки к холостому ходу с помощью регулятора путем уменьшения цикловой подачи топлива. Так как диапазон изменения п по регу­ляторной ветви невелик, то изменение параметров может быть проанализировано на основании информации о нагрузочной ха­рактеристике.

Если при графическом изображении показателей дизеля в каче­стве аргумента взять частоту вращения п, то получим скоростную характеристику с регуляторной ветвью, а если эффективную мощ­ность или крутящий момент, — регуляторную характеристику.

Регуляторная характеристика дизеля при анализе совместной работы дизеля с потребителем его мощности в ряде случаев удоб­нее скоростных и нагрузочных характеристик. Она нагляднее и точнее отражает изменение показателей дизеля в зависимости от внешней нагрузки в эксплуатации, так как при работе регулятора одновременно изменяются нагрузка и частота вращения.
3. Способы повышения мощности двигателя

Чтобы увеличить среднее эффективное давление, необходимо в цилиндр за цикл подать большее количество топлива, а для полного его сгорания - большее количество воздуха. Это реализуется путем увеличения количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр давлением. Данный способ называется наддувом двигателя. При этом среднее эффективное давление увеличивается практически пропорционально увеличению плотности свежего заряда.

На рис. 7.7 показан наддув с механическим приводом от коленчатого вала, а на рис. 7.8 - турбонаддув, где для привода центребежного компрессора 1 используется энергия отработавших (ОГ), которая реализуется в турбине 2, конструктивно объедининой с компрессором в единый агрегат, который называется тур компрессором.

По величине создаваемого давления на входе в цилиндр различают наддув низкий (до 0,15 МПа), средний (0,15-0,2 МПа) и высокий (более 0,2 МПа). При этом эффективная мощность двигателя увеличивается на 20-30, 40-50 и более 50 % соответственно.